基于石墨烯的非線性調(diào)制技術(shù)

□陳明武 紀(jì)明明 方 鳴

非線性光學(xué)是光子學(xué)的一個(gè)分支,致力于非線性光和物質(zhì)之間的相互作用,更具體地說(shuō),介電極化后的誘導(dǎo)材料會(huì)對(duì)光電場(chǎng)產(chǎn)生非線性響應(yīng)。1961年，在發(fā)明第一臺(tái)激光器之后的一年，Peter Franken和他的同事首次用脈沖紅寶石激光器觀察到二次諧波產(chǎn)生(SHG)的非線性效應(yīng)，兩個(gè)具有相同頻率的光子被轉(zhuǎn)換成具有入射光子頻率的兩倍的新光子[1]。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著非線性光學(xué)的誕生。目前，各種非線性光學(xué)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中[2～3]。例如，用于微加工和顯微外科的超快激光器；用于醫(yī)學(xué)診斷、生物傳感和成像的各種形式的非線性光學(xué)光譜；以及用于光學(xué)通信的信息安全系統(tǒng)。

一、石墨烯非線性調(diào)制技術(shù)的最新成果

目前，“第三諧波產(chǎn)生(THG)”的非線性光學(xué)過(guò)程可以使用電柵電壓在石墨烯中進(jìn)行廣泛的調(diào)制[4]。目前，可電調(diào)制的SHG已經(jīng)被廣泛關(guān)注,單層WSE2(二維過(guò)渡金屬雙鹵素家族中經(jīng)過(guò)充分研究的半導(dǎo)體),具有一定的可擴(kuò)展性,但光譜帶寬比較有限[5]。石墨烯是一種單層的碳原子填充在二維蜂窩晶格中形成的2D材料，具有很強(qiáng)的超寬帶光-物質(zhì)相互作用，已被廣泛應(yīng)用于光子和光電子器件，包括光子源、光電調(diào)制器和光電探測(cè)器[6]。對(duì)于非線性光學(xué)來(lái)說(shuō)，由于反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，石墨烯不具備二階光學(xué)非線性特性，但是具有三階光學(xué)非線性特性[7]。石墨烯的飽和吸收就是一種超快脈沖產(chǎn)生的三階非線性光學(xué)響應(yīng)[8]。

最新研究發(fā)現(xiàn)石墨烯化學(xué)勢(shì)(EF)具有選擇性地開(kāi)啟或關(guān)閉單光子和多光子共振躍遷的能力(如圖1所示，紅色箭頭表示在ω0頻率的輸入光子，藍(lán)色箭頭表示在3ω0的頻率下生成的三階諧波光子)。當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為1566nm時(shí)，在化學(xué)勢(shì)為0.74eV的情況下，可獲得30倍的最大調(diào)制強(qiáng)度。相關(guān)的參考文獻(xiàn)已經(jīng)得出類似的結(jié)果[9]。試驗(yàn)證明在不需要波長(zhǎng)調(diào)制的情況下,門(mén)控(或摻雜)石墨烯比化學(xué)原始石墨烯樣品更適合與THG應(yīng)用。如此一來(lái)，利用摻雜的石墨烯可以提高具有低插入損耗的器件所需的三階非線性光學(xué)極化率并減少了線性光吸收帶來(lái)的負(fù)面影響。通過(guò)各種四波混合(FWM)過(guò)程的電氣操作(這是一個(gè)三階非線性光學(xué)過(guò)程),兩個(gè)或三個(gè)光子混合在一起,可以產(chǎn)生一個(gè)或兩個(gè)新的光子。由于單光子或多光子共振躍遷的相位差，差頻FWM的行為與THG完全不一樣。值得注意的是，這種具有多光子共振選擇的可調(diào)諧非線性光學(xué)響應(yīng)也存在于石墨烯的非線性光學(xué)調(diào)制過(guò)程中，例如高次諧波產(chǎn)生。

圖1 石墨烯中的多光子共振效應(yīng)

二、石墨烯非線性調(diào)制技術(shù)的最新研究

由于激子躍遷能量較窄，單層WSE2中的三階非線性諧波產(chǎn)生過(guò)程的操作帶寬(在低工作溫度下大約幾十毫伏)非常有限。據(jù)最新報(bào)道,可調(diào)諧THG的操作帶寬從1,300納米到1,650納米,涵蓋了最常見(jiàn)的光纖通信光譜1,550納米。如此寬的操作帶寬來(lái)自石墨烯狄拉克費(fèi)米子的線性能量色散，這與以前的電可調(diào)演示結(jié)果完全不同。從理論上講，狄拉克材料中的可調(diào)諧非線性光學(xué)器件的寬頻帶操作應(yīng)該是可能的，因?yàn)樵介L(zhǎng)的工作波長(zhǎng)(例如中紅外光譜區(qū)域)自然摻雜越小，而越短的工作波長(zhǎng)(例如可見(jiàn)光譜區(qū)域)摻雜越高。還有其他狄拉克材料,如拓?fù)浣^緣體和某些半金屬,其非線性光學(xué)特性更加有趣，值得進(jìn)一步研究。石墨烯的光學(xué)頻寬很寬，具有光可調(diào)非線性特性，這為電調(diào)諧非線性光學(xué)器件的研究提供了一種新方法。

在過(guò)去的一段時(shí)間里,石墨烯和其他二維層狀材料的非線性光學(xué)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。然而，研究人員在測(cè)量了它們的非線性光學(xué)響應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)，不同的材料，其測(cè)量結(jié)果可能相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，例如三階極化的石墨烯和二階非線性光學(xué)極化的二硫化鉬。研究結(jié)果表明，在不同的摻雜水平下，石墨烯的三階非線性響應(yīng)效果差別很大。所以，不得不考慮摻雜水平以獲得非線性光學(xué)響應(yīng)的科學(xué)比較。

光學(xué)納米材料之間的非線性相互作用通常沿著相互作用長(zhǎng)度而不斷地相干積聚。石墨烯和其他二維材料只包含一個(gè)或幾個(gè)原子層,它們的相互作用長(zhǎng)度非常有限。因此,盡管有一個(gè)較大的三階極化率,但2D材料的頻率轉(zhuǎn)換效率非常低(約3x10-10%)。未來(lái)的研究工作可能致力于尋找使用各種方法來(lái)增強(qiáng)2D材料中的非線性光學(xué)相互作用，包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)、相位匹配方法、波導(dǎo)/光纖集成和光學(xué)諧振器。此外,各種極化子(例如,等離子體、聲子和激子偏振)和光子超材料可以對(duì)二維材料及其混合異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的光學(xué)非線性過(guò)程進(jìn)行局部增強(qiáng)和操作。(圖2a～c，a、光子晶體腔。b、微磁盤(pán)諧振器。c,可電動(dòng)調(diào)諧微諧振器。圖2d，等離子體結(jié)構(gòu)。紅色箭頭表示輸入光子,以及藍(lán)色和綠色箭頭表示在不同頻率下所產(chǎn)生的光子。)

圖2 二維材料中的非線性光學(xué)響應(yīng)

電可調(diào)非線性光學(xué)材料在光子學(xué)的各個(gè)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。人們已經(jīng)制造出各種各樣的、廣泛使用的光子器件(例如脈沖激光器、開(kāi)關(guān)、調(diào)制器和存儲(chǔ)器)，相對(duì)于電子技術(shù)來(lái)說(shuō)，光子技術(shù)有著無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，包括芯片光子學(xué)、量子納米光子學(xué)、非線性等離子體光子學(xué)和強(qiáng)場(chǎng)納米物理學(xué)在內(nèi)的非線性納米光子應(yīng)用受到了人們的廣泛關(guān)注。然而,由于相對(duì)較小的非線性光學(xué)敏感性和復(fù)雜而昂貴的制造和集成方法，采用傳統(tǒng)塊狀晶體的解決方案已經(jīng)達(dá)到了其材料特性所帶來(lái)的技術(shù)極限。

四、石墨烯非線性調(diào)制技術(shù)的未來(lái)展望

石墨烯和其他具有較大非線性光學(xué)響應(yīng)的二維材料具有與集成芯片兼容的優(yōu)點(diǎn),因此利用二維材料的非線性響應(yīng)特性，人們有信心應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的非線性納米光學(xué)和納米物理學(xué)所帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。石墨烯和石墨烯類材料的門(mén)可調(diào)諧非線性光學(xué)機(jī)制有著各種優(yōu)勢(shì),占地面積小、速度快(超過(guò)幾十GHZ)和兼容互補(bǔ)金屬氧化物(CMOS)等,這些優(yōu)點(diǎn)是未來(lái)芯片發(fā)展所必需的條件。如果二維材料中的非線性光學(xué)相互作用能夠繼續(xù)增強(qiáng)，大規(guī)模、高質(zhì)量的二維材料能夠不斷生產(chǎn)，那么，使用完全不同的方法來(lái)構(gòu)造電可調(diào)諧的非線性光學(xué)納米裝置(例如，頻率梳，超快激光器，太赫茲元件，量子源，光參量的來(lái)源等)指日可待，這些裝置不但在計(jì)量、傳感和成像方面有著重要應(yīng)用，而且對(duì)量子技術(shù)和電信技術(shù)的發(fā)展也有著重要研究?jī)r(jià)值。